X-Spectrum探测器用于α-硫化锰激发态的轨道成像

   根据量子力学，原子中电子的确切位置是未知的，只能确定在特定位置遇到它的可能性。原子中电子的概率分布是由所谓的轨道给出的。这些对电子状态的数学描述可以以可视化电子云图的方式给出。在最简单的情况下，形成的形状是球状(s轨道)、哑铃形(p轨道)或四叶形(除d轨道外)。一旦电子进入化学键，事情就变得更复杂了。然而，轨道态的知识对于理解化合物的行为是至关重要的。例如，过渡金属化合物具有各种不同寻常的特性，比如它们从金属转换为绝缘体或超导体的能力。产生这些有趣特征的原因是与之相关的轨道。这个看似数学结构的东西实际上可以用非共振非弹性x射线散射(NIXS)(也被称为x射线拉曼光谱)实验来确定。

类氢原子，即单电子原子的三个最低量子数的轨道

实验设置

   马克斯普朗克固体化学物理研究所(德累斯顿，德国)的由Andrea Amorese领导的研究小组在PETRA III (DESY)的P01束线的NIXS端站进行了α-硫化锰(α-MnS)实验，α-MnS是一种岩盐型反铁磁绝缘体。在实验中，来自x射线束的入射光子与α-MnS的内部电子发生非弹性散射。光子会带着稍微改变的能量(与物质的能级有关)和改变的动量(与轨道的形状有关)离开样品。利用在12个硅晶体分析仪上的布拉格反射，将不同能量(9.7 keV)的光子定向到LAMBDA 60k探测器上。该装置使用了一个带有Hydra设计和外部触发输入的原型。“x射线拉曼光谱仪和样品环境限制了探测器的空间大小。有了Hydra系统，我们就可以安装一个具备LAMBDA系统所有特征的探测器。” 研究的共同作者Martin Sundermann解释道“除了无噪声单光子计数能力以探测弱信号，小尺寸像素允许我们分离单个晶体分析仪的信号，以区别样品和环境的信号。测量是在不同的角度和样品的不同方向进行的，所以研究人员最终扫描了两个晶面，允许他们重构α-MnS晶体轨道的3D图像。 

NIXS的实验装置，qin and qout分别是入射光子和传出光子的动量向量，q是传递的动量。

   团队正在寻找一个特定的电子跃迁，从3s轨道到3d轨道。首先，他们研究了3d轨道的空穴密度，即空价态，发现它是球形的。然而，非弹性散射过程中传递的能量的确切值取决于散射角。这种方向依赖性是由于3s轨道和3d轨道之间存在两种不同的跃迁。通过这些跃迁的强度，作者能够揭示每个跃迁所涉及的轨道的形状。这样，就有可能完全确定材料中3d轨道的能量结构——以及“形状”。

上面的图像显示了两个被研究的晶体平面(左，中)和合成的三维形状(右)的积分强度的角度依赖关系。下面的图片显示了两个晶面的独立的光谱的角相关性。确定的轨道对称性eg和t2g用橙色和蓝色的线和形状表示。

REFERENCES

A. Amorese, B. Leedahl, M. Sundermann, H. Gretarsson, Z. Hu, H.-J. Lin, C. T. Chen, M. Schmidt, H. Borrmann, Yu. Grin, A. Severing, M. W. Haverkort, and L. H. Tjeng (2021): Selective Orbital Imaging of Excited States with X-Ray Spectroscopy: The Example of α-MnS. Phys. Rev. X 11, 011002. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.011002

H. Yavaş, M. Sundermann, K. Chen et al. (2019): Direct imaging of orbitals in quantum materials. Nat. Phys. 15, 559–562. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0471-2